北科大张建华团队打造爬壁钢铁卫士，落地亚洲第四大水电站

导读：北京科技大学张建华教授团队研发首款全场景内外直角翻越重载轮式爬壁机器人RWTCbot，成果刊发于国际权威期刊。该机器人突破了立面全场景“高危直角”技术瓶颈，凭借多项原创结构与算法，实现了百公斤级载重跨角作业，可一站式完成高空立面作业，已在亚洲第四大水电站乌东德水电站实地应用，为钢结构高空运维提供全新解决方案。

随着风电、水利、重工、船舶等行业飞速发展，大型钢结构的高空除锈、喷漆、探伤等运维作业需求与日俱增。

水电站门机、港口起重设备、工业钢架等设施遍布内外90°直角拐角，成为人工设备与传统爬壁机器人难以逾越的壁垒。行业始终被困在「载重、直角翻越、低成本运维」的不可能三角中，无数高空高危作业只能依赖人工硬扛。能否平稳翻越这类异形壁面，已经成为衡量爬壁机器人综合性能的重要标准。

01.

行业困局：一个直角，困住工业立面运维领域

我们不妨想象这样一幕：作业人员背负上百公斤工装设备，身处三十多米的高空钢构之上，前方一面垂直钢壁戛然而止，转角处是锋利的90°阳角，这道看似普通的拐角，却成为人工与传统设备都难以逾越的障碍。

放眼全球爬壁机器人领域，行业长期陷入载重、直角翻越、低成本运维的 “不可能三角”：轻量化机型虽然能够实现内外直角过渡，但载重普遍不足10公斤，仅可搭载简易巡检设备，难以满足工业防腐的重载需求；传统重载爬壁机器人磁力充足、可挂载百公斤作业工装，却受限于结构设计，难以翻越直角拐角；而多模块、仿生等复合构型机器人却存在结构繁琐、故障率高、后期维保成本高昂等问题，始终难以规模化落地。

亚洲第四大水电站乌东德水电站

长久以来，业内大多只能靠牺牲七成磁吸能力换取直角过渡效果，这导致了其严格的负载限制，绝大多数高空防腐场景依旧只能依赖人工高空作业。不仅作业效率低下，高空坠落、油漆中毒等安全风险更是如影随形，行业亟需一款能同时实现全场景直角翻越、大载重、高可靠性的工业级爬壁机器人。

02.

打破固有思维！北科大团队原创全新技术范式

为攻克直角过渡难题，国内外科研团队与企业尝试了多种技术路线，但各类方案均存在一定短板，难以适配复杂直角过渡的工业场景：

1. 轻量化轮式机器人：依靠跨角后剩余 30%-40% 的残余磁力完成过渡，整机必须严格控制重量，载重能力极差，难以搭载除锈、喷漆、成套防腐作业设备；
2. 多模块分体式爬壁机器人：采用多车体联动结构，整体刚性弱、控制系统复杂，机器人卡在拐角位置后难以自主脱离，现场故障处置难度大；
3. 仿生足式/软体机器人：柔性结构适配性强，但承载能力薄弱、运行能耗高，难以满足重工业连续作业的要求。

针对以上行业痛点，北京科技大学张建华教授团队潜心攻关，原创研发出RWTCbot 重载作业型爬壁机器人。该装备跳出传统设计思维，摒弃 “牺牲载重换过渡能力” 的固有逻辑，提出了"被动旋转关节+可升降辅助磁吸模块+自适应闭环过渡控制算法"的一体化解决方案，为全球爬壁机器人领域贡献了一个全新的技术范式，真正实现百公斤重载+全场景内外直角自由过渡两大核心能力兼得，同时保持结构简洁、运维成本低的优势，完美适配水电站等大型钢结构高空全流程防腐作业。

03.

三大核心科技！筑牢重载+跨角双重壁垒

RWTCbot 之所以能打破行业 “不可能三角”，核心依托三大关键设计，我们形象地将其命名为 “力场护盾”、“柔术身法”、“吸星大法”，三大技术相辅相成，构筑起机器人稳定作业的核心根基。

「力场护盾」：可自适应辅助磁吸过渡模块

外直角是高空壁面作业的最大难点，跨角瞬间极易出现磁力衰减、设备脱壁倾覆的问题。机器人机身中部搭载电动推杆驱动的辅助磁吸机构，搭配激光雷达精准感知拐角位置，可主动下放辅助磁体，实时补充跨角衰减的磁力，如同提前抛出“磁力抓钩”牢牢贴合壁面。同时依托高精度力传感器与闭环控制策略，电动推杆可动态调节牵引力，适配前轮、后轮两种过渡模式，全程杜绝脱壁、倾覆风险，让直角过渡全程稳定可控。

「柔术身法」：限位被动滚动铰接结构

工业现场壁面并非标准化平面，普遍存在工艺凸棱、异形阳角等非标结构。机器人前后驱动桥通过被动旋转关节连接，支持左右各10°相对偏转，可实现自适应扭转贴合。当机器人斜向靠近拐角、单侧车轮出现离地趋势，或是面对门机24mm工艺凸棱等异形结构时，前后车架可自主“扭腰贴合”壁面，从根源解决单侧车轮翘边、吸附失效难题，适配各类非标直角复杂工况。

「吸星大法」：弧形海尔贝克阵列永磁吸附系统

载重能力的核心根基是稳定的吸附力。机器人前后驱动桥搭载210°大角度弧形钕铁硼磁铁，采用先进的海尔贝克阵列排布，相当于为设备配备了全覆盖“强力磁靴”。无论机器人处于平面、内角、外角等任意作业姿态，始终有连续磁弧与钢壁紧密贴合，单个吸附单元磁力实测高达1387N，为100公斤级重载作业提供坚实保障，彻底摆脱行业“减重保吸附”的设计枷锁。

04.

产学研深度落地：论文专利赛事全面开花，技术完全国产化

机器人大讲堂获悉，从理论研发、迭代优化到工程落地，张建华教授团队坚持完整的产学研创新路线，技术成果获得国内外学界与行业权威高度认可。

在学术研究层面，该机器人研发历程完整记录于核心学术期刊：初代成果发表于国内权威期刊《机械工程学报》，迭代升级的第二代RWTCbot成果，成功被国际机器人顶刊 IEEE Robotics and Automation Letters收录。两篇核心论文（详情见文末链接）完整印证了技术从雏形到成熟的原创迭代过程。

在知识产权层面，项目已斩获4项国家授权专利，拥有完整自主知识产权，核心技术实现100%国产化，摆脱国外技术依赖。

在科创实践层面，依托北科大团委支持、焦然老师指导，本科生核心研发团队凭借该项目斩获2025中国国际大学生创新大赛全国金奖，充分彰显了高校产学研融合、师生协同创新的丰硕成果。

目前，该技术已顺利通过中国机械工业联合会权威鉴定，技术方案、核心性能指标均达到工业落地标准，具备大规模推广应用的资质。

05.

硬核实战！进驻亚洲第四大水电站守护国家重大工程

√水利水电领域：各大水电站桥机、门机、闸门、钢结构厂房的除锈、喷涂、无损检测；

理论再强，不上真实场景都是纸上谈兵。据悉，RWTCbot机器人依托「需求牵引、企业命题、高校答卷」的深度校企合作模式，成功进驻乌东德水电站完成全流程防腐作业实战验证。

作为亚洲第四、世界第七大水电站，乌东德水电站钢结构运维工况极具代表性：场内桥机、门机、闸门等钢结构数量庞大，作业区域距地面超30米，壁面包含大量标准内外直角与带凸棱异形拐角，加之库区昼夜温差大、环境潮湿，人工作业风险极高、难度极大，是高空防腐领域极具代表性的重难点工业场景。

本次落地项目由乌东德电厂机械水工维修部起重金结分部主任朱珩牵头，结合电站真实运维痛点提出研发需求，校企团队多次实地摸排工况、面对面研讨打磨方案、联合样机调试，逐一攻克现场技术难题，打造出校企协同创新的标杆案例。

作业现场中，RWTCbot机器人全程稳定运行，全面承接进水口门机、厂房桥机、大型闸门等核心钢结构的运维工作，可自主完成老旧漆层打磨除锈、防腐漆分层喷涂、漆膜厚度与表面粗糙度检测全流程智能化作业。

机器人可在连续壁面、各类内外直角之间自主切换，全程运行稳定，作业质量优于人工，不仅消除了高空作业安全隐患，还大幅提升运维效率，成为国家重大水利工程运维的得力装备。

素有“钢铁摇篮”之称的北京科技大学，积淀了深厚的工科科研底蕴，学校机械工程学院张建华教授领衔科研团队，搭建起“教授引领、青年教师挑大梁、学生实践落地”的高效科创协作体系，长期深耕特种作业机器人赛道。团队始终秉持“让机器人承接人工高危、繁重、高难度作业”的研发初心，深耕工程实际需求，先后承担多项国家级重点科研项目，累计发表学术论文两百余篇，授权发明专利50余项。

此次落地应用的重载爬壁机器人，正是团队依托学校学科积淀、立足行业痛点研发的硬核成果，化身守护高空作业一线的“爬壁钢铁卫士”，以智能科技筑牢工业运维安全屏障。

06.

全域场景赋能！解锁工业高空运维新未来

经过乌东德水电站实战检验，RWTCbot爬壁机器人凭借全场景直角过渡、百公斤重载、高稳定性、易运维四大核心优势，可快速复制落地至多类重工业场景，应用前景广阔：

√重工与港口：港口门机、大型行车、钢厂 H 型钢架、压力容器的日常运维；

√船舶行业：船体舱室、甲板钢结构、船舶附件的清洁与防腐作业；

√风电与石化：风电塔筒、石化储罐、管道支架等异形钢结构巡检与维保。

RWTCbot爬壁机器人解决了行业部分痛点，并可快速实现跨行业应用，期待该团队继续探索高空运维场景应用，挖掘特种机器人的创新价值与产业潜力，以科技手段替代高危作业，助力行业实现数字化、智能化转型。

文章链接：

http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2025.17.050

https://ieeexplore.ieee.org/document/11543327